DE3028309C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten eines Werkstücks, mit einer Spaltentladungsschaltung, die einen Impulsgenerator enthält und Paare elektrischer Leiter aufweist, über die die vom Impulsgenerator erzeugten Arbeitsstromimpulse an den zwischen Elektrode und Werkstück gebildeten Arbeitsspalt angelegt werden, wobei unvermeidliche Streukapazitäten in der Spaltentladungsschaltung dadurch auftreten, daß die Leiter eines jeden Paares gegeneinander und gegen Erde isoliert sind. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 27 35 403 und der DE-OS 28 24 086 bekannt.

In einem funkenerosiven Bearbeitungs(EDM)-Prozeß wird elektrische Energie von der Strom- bzw. Spannungsversorgung in der Form diskreter elektrischer Impulse an den mit einem Arbeitsfluid oder einem flüssigen Dielektrikum (beispielsweise Kerosin oder Leuchtöl, Transformatoröl, destilliertes Wasser oder schwach leitendes Wasser) gefüllten Arbeitsspalt gelegt, um eine Folge elektrischer Entladungen zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück zu bewirken, so daß Material vom Werkstück abgetragen wird. Jede einzelne Entladung trifft auf den Bereich des Werkstückes neben der Werkzeugelektrode auf der einen oder anderen sehr kleinen lokalisierten Zone auf, wobei die Zone impulsmäßig geschmolzen und/oder verdampft und dann mechanisch von dem Werkstückbereich durch den Impuls-Entladungsdruck entfernt wird. Aufeinanderfolgende und sich wiederholende Entladungen werden verwendet, um die lokalisierte Materialentfernung oder die Abtragung über dem gesamten Werkstückbereich zu überstreichen, und führen zur Entstehung von kumulativ überlappten Entladungskratern darauf. Mit fortschreitender Materialabtragung rückt die Werkzeugelektrode bezüglich des Werkstückes durch eine Servo-Vorschubeinrichtung vor, die gestaltet ist, um den Arbeitsspaltabstand im wesentlichen konstant zu halten, so daß dadurch Materialabtragungsentladungen erfolgreich hervorgerufen werden können. Die Werkzeugelektrode im sog. Sink-EDM-Bearbeiten ist im allgemeinen mit der gewünschten Konfiguration des Hohlraumes oder einer Form ausgestaltet, die komplementär im Werkstück gewünscht wird. Somit wird die ggf. neben dem Werkzeug liegende gesamte Oberfläche über denjenigen Teilen hiervon bearbeitet, die der Werkzeugelektrode gegenüberliegen, und sie nimmt eine Konfiguration an, die mit der Form der Werkzeugelektrode übereinstimmt. Beim Laufdraht- oder Drahtschnitt-EDM-Bearbeiten, bei dem die Werkzeugelektrode aus einer kontinuierlichen, axial verlaufenden, länglichen, drahtähnlichen Elektrode besteht, oder beim Abtast-EDM-Bearbeiten mit einem Stab oder einer ähnlichen Elektrode mit einem relativ einfachen Bearbeitungsprofil wird eine zwei- oder dreidimensionale Relativverschiebung zwischen der Elektrode und dem Werkstück bewirkt, um zu einer in gewünschter Weise geformten Konfiguration in oder auf dem Werkstück entsprechend dem Weg der Relativverschiebung zu führen. Die Verschmutzung des Arbeitsspaltbereiches mit Spänen, Teer und Gasen, die durch Bearbeitungsentladungen erzeugt sind, kann gereinigt werden, indem kontinuierlich oder intermittierend der Spalt mit einem frischen Arbeitsfluid gespült wird, und/oder indem intermittierend oder zyklisch die Werkzeugelektrode vom Werkstück zurückgefahren wird, damit das frische Arbeitsmedium in den Arbeitsspalt gepumpt werden kann und aus diesem die Bearbeitungsverschmutzungen abgeführt werden können.

Parameter von einzelnen und aufeinanderfolgenden elektrischen Entladungen oder von Arbeits-Stromimpulsen, insbesondere die Impuls-Ein-Zeit τ _ein und der Spitzenwertstrom I _p , bestimmen für eine gegebene Kombination der Elektrodenmaterialien und anderer Bearbeitungseinstellungen die Materialabtragungseigenschaften je Einzelimpulsabgabe und damit die kritischen Bearbeitungsergebnisse, d. h., die Abtragungsrate oder -geschwindigkeit, die Oberflächenrauhigkeit und die relative Elektrodenabnutzung, und müssen daher zusammen mit der Impuls-Aus-Zeit eingestellt werden, um einen besonderen Bearbeitungszustand aufzubauen, der zur Erzielung der gewünschten Bearbeitungsergebnisse geeignet ist. Diese Parameter werden einzeln in einer Impulsquellenschaltung in der Strom- bzw. Spannungsversorgung oder in einem Impulsgenerator eingestellt, der vorzugsweise vom Festkörper- oder Halb­ leiter-Schalt-Typ ist.

Der Erfinder hat erkannt, daß in einer herkömmlichen EDM-Maschine - wie genau auch die Einstellung dieser Parameter in der Impulsquelle in der Strom- bzw. Spannungsversorgung erfolgt - die Impulse verzerrt werden, während sie erzeugt und zum Spalt durch die Spaltentladungsschaltung übertragen werden. Der Erfinder hat nun beobachtet, daß die Verzerrung zurückzuführen ist auf Streukapazitäten, die notwendig verteilt sind in der Spaltentladungsschaltung einschließlich eines Halbleiter-Leistungs-Schalt-Netzwerkes zum Pulsen einer Gleichstromquelle, verschiedenen Leitungen in der Strom- bzw. Spannungsversorgung, Kabeln, die den Leistungsschalter mit der Spaltlage verbinden, und Leitern, die von den Leistungskabeln wegführen, um direkt die Werkzeugelektrode und das Werkstück zu speisen, sowie auch in einem gewissen Ausmaß in Umgebungsschaltungseinheiten für mechanische Anordnungen. Bisher wurde diesen Streukapazitäten seitens der Strom- bzw. Spannungsversorgung und der mechanischen Bauteile in elektrischen Bearbeitungen wenig Beachtung geschenkt. Der Erfinder hat nun erkannt, daß diese Streukapazitäten bedeutsame Einflüsse haben, die bei den Eigenschaften eines Entladungsimpulses nicht vernachlässigt werden können, der ggf. am Arbeitsspalt entsteht.

Insbesondere werden Streukapazitäten im allgemeinen erzeugt an den Berührungsflächen zwischen dem Emitter und dem Körper eines Halbleiterbauelementes in der Schalteinheit zum Pulsen einer Gleichstromversorgung zur Erzeugung der Leistungsimpulse und zwischen den parallelen Leitern in einer gedruckten Schaltungsplatte, Leitkabeln und an den Teilen von Isolatoren für den Elektrodenlagerkopf und für das Werkstücklager. Es hat sich gezeigt, daß die Streukapazitäten insgesamt ca. 0,1 µF in herkömmlichen EDM-Maschinen betragen. Der Erfinder hat erkannt, daß das Vorliegen von derartigen Streukapazitäten eine bedeutsame Ursache ist für eine Tendenz zum Spaltkurzschluß und zu einer Lichtbogenbildung, zur Entstehung einer Bearbeitungsinstabilität, zur Unfähigkeit, die Abtragungsgeschwindigkeit anzuheben, zu einer übermäßigen Elektrodenabnutzung und zu einer unbefriedigenden Qualität der bearbeiteten Oberfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, die eine bessere Bearbeitungsausführung, eine erhöhte Abtragungsgeschwindigkeit, eine verringerte Werkzeugabnutzung und eine verbesserte Qualität der bearbeiteten Oberfläche ermöglicht; außerdem soll sie ein feines Endbearbeiten mit einer extrem geringen Abnutzung der Werkzeugelektrode gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen wenigstens einem der Leiterpaare oder zwischen einem der Leiter und Erde so groß gewählt ist, daß der gesamte Streukapazitätswert der Spaltentladungsschaltung auf höchstens 10 nF verringert ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung betrifft also eine Vorrichtung zum elektroerosiven Bearbeiten einer Werkstückelektrode mit einer Werkzeugelektrode, wobei ein Festkörper-Schalt-EDM-Generator eine Folge von Arbeitsstromimpulsen an einem Arbeitsspalt, der zwischen den Elektroden ausgeführt ist, die mit einem flüssigen Dielektrikum, vorzugsweise destilliertem oder schwach leitendem Wasser, gespült sind, durch eine Spaltentladungsschaltung erzeugt. Der Gesamtwert der Streukapazitäten in der Spaltentladungsschaltung ist auf einen Wert kleiner als 10 nF, vorzugsweise höchstens auf 5 oder 1 nF begrenzt, um den Anstieg eines Spitzenwertstromes an der Vorderflanke jedes einzelnen Arbeitsstrom-Impulses zu steuern.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Signaldiagramm, das schematisch einen Entladungs- oder Arbeits­ strom-Impuls zeigt, der an einem EDM- Spalt verzerrt aufgrund von Streukapazitäten auftritt, die gewöhnlich in der Entladungsschaltung in einer herkömmlichen EDM-Maschine vorhanden sind,

Fig. 2 eine Kurve, die die Beziehung der Streukapazität gegenüber der Abtragungsgeschwindigkeit und der relativen Elektrodenabnutzung aufgrund von Meßergebnissen in einem EDM-Bearbeiten zeigt,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer EDM- Spaltentladungsschaltung zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 4 einen Aufriß, der schematisch einen Elek­ troden-(Werkzeug- oder Werkstück-)Aufbau nach der Erfindung zeigt,

Fig. 5 einen Aufriß einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Fig. 4,

Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild einer EDM- Spaltentladungsschaltung in der Form einer Ersatzschaltung mit Streukapazitäten sowie Streuinduktivitäten,

Fig. 7 ein Signaldiagramm, das schematisch drei typische Entladungsstromimpulse zeigt, die an einzelnen Teilen der Ersatzschaltung mit den angenommenen drei verschiedenen verteilten Streukapazitäten entstehen, und ein zusammengesetztes Impulssignal zeigt, das als Ergebnis der Summation dieser Ströme ent­ steht,

Fig. 8 ein Signaldiagramm, das schematisch einen Rechteck-Entladungsstrom-Impuls als ein Ausgangssignal eines pulsenden Leistungstransistors zeigt, um ideal zwischen die Werkzeug- und die Werkstückelektrode am EDM-Spalt gelegt zu werden,

Fig. 9 ein Signaldiagramm, das schematisch einen zusammengesetzten Entladungs­ strom-Impuls zeigt, der eine Addition der Signale der Fig. 7 und 8 darstellt und tatsächlich am EDM-Spalt in einer herkömmlichen Vorrichtung vorliegt, und

Fig. 10 ein Schaltbild, das schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, um eine Konstanz des Spitzenwertstromes von Arbeitsstrom-Impulsen unabhängig von einer Änderung im Betrag der Streukapazitäten während eines gegebenen Ablaufes einer Bearbeitung zu gewährleisten.

In herkömmlichen EDM-Maschinen werden Streukapazitäten im allgemeinen an den Grenzflächen zwischen dem Emitter und dem Körper eines Halbleiterbauelementes in der Schalteinheit zum Pulsen einer Gleichstromversorgung und zwischen parallelen Leitern in einer den Schalter und andere Schaltungselemente tragenden gedruckten Schaltungsplatte, Leitkabeln und an den Teilen erzeugt, die elektrisch den leitenden Elektrodenhalter und das Werkstücklager von Erde isolieren. Insgesamt betragen diese Kapazitäten 100 nF usw. Dagegen wurde erkannt, daß eine am Arbeitsspalt erzeugte Impulsentladung einen verzerrten Stromverlauf aufweist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Der Erfinder hat nun ermittelt, daß dies auf dem Vorliegen dieser Streukapazitäten beruht, die zwingend in der Spaltentladungsschaltung vorhanden sind. In Fig. 1 ist dargestellt, daß der Impuls aufweist einen Teil eines Spitzenwertstromes I _p und einer Zeitdauer τ _ein , der erzeugt wird, wenn die Gleichstrom-EDM-Stromversorgung mittels eines Ein-Aus-Schalters gepulst ist, und einen Teil eines Spitzenwertstromes I _p1 (=I _p0+I _p ) und einer Zeitdauer τ _ein1, der der Vorderflanke des Impulses aufgrund dieser Streukapazitäten beigefügt ist. Der zusätzliche Strom I _p0, der auf den Spitzenwertstrom I _p überlagert ist, um den addierten Spitzenwertstrom I _p1 zu erzeugen, und die Zeit τ _ein1 sind ausdrückbar durch:

mit

C = Streukapazität insgesamt,
L = Induktivität, und
E = Quellenspannung.

Es ist zu sehen, daß I _p1 und τ _ein1 beide zunehmen, wenn die Streukapazität C größer wird; ein Bearbeiten mit einer großen Kapazität C hat einen großen Strom I _p1, was eine große Abweichung des effektiven Spitzenwertstroms I _peff von einem voreingestellten Wert I _p bedeutet, was wiederum eine merkliche Änderung in den Betriebseinstellungen darstellt, um mit einem gewünschten Bearbeitungsergebnis übereinzustimmen.

Beispielsweise ist die Oberflächenrauhigkeit gegeben durch:

R = K _R I _peff ^0,4 · τ _ein ^0,3, (3)

mit K _R = konstant.

Die Abtragungsgeschwindigkeit ist gegeben durch:

W = K _W I _peff ^1,4 · τ _ein ^1,1, (4)

mit K _W = konstant.

Daraus folgt, daß momentane Änderungen in diesen gewünschten EDM-Endfaktoren mit einer Änderung im effektiven Spitzenwertstrom I _peff hervorgerufen werden, der auf der Addition von I _p1 zum voreingestellten Wert I _p beruht. Die Änderung oder der Einfluß ist insbesondere in Endbearbeitungen im allgemeinen und auch in Drahtschnitt- und anderen EDM-Bearbeitungen im allgemeinen mit einer Wasser- (destilliert oder schwach leitend) Arbeitsflüssigkeit groß, die eine relativ hohe spezifische Dielektrizitätskonstante aufweist.

In Fig. 2 ist eine durch Versuche erhaltene Kurve gezeigt, die darstellt, wie eine Streukapazität EDM- Endfaktoren beeinträchtigt. In dieser Figur ist die Streukapazität in µF auf der Abszisse aufgetragen, während die Abtragungsgeschwindigkeit in mg/min und die relative Elektrodenabnutzung in Gew.-% auf der Ordinate angegeben sind. Versuche wurden durchgeführt, um ein eisenhaltiges Werkstück mit einer Kupferelektrode und einem Wasser-Arbeitsfluid mit einem spezifischen Widerstand von 4 · 10^-4 Ohm · cm mittels Arbeitsimpulsen zu bearbeiten, die durch Pulsen eines Gleichstroms durch einen Transistorschalter erhalten sind und eine Zeitdauer τ _ein von 4 µs, ein Impulsintervall τ _aus von 6 µs und einen Spitzenwertstrom I _p von 10 A aufweisen. In der Fig. 2 stellt eine Kurve A die Abtragungsgeschwindigkeit dar, die erhalten wird, wenn die Elektrode positiv und das Werkstück negativ gepolt sind, und die offenbar zunimmt, wenn die Streukapazität abnimmt. Die Kurve C stellt die relative Elektrodenabnutzung dar, die in diesem Fall vorliegt und die abnimmt, wenn die Streukapazität abnimmt. Die Kurven B und D zeigen in dieser Figur die Abtragungsgeschwindigkeit bzw. die relative Elektrodenabnutzung, wenn die Elektrode negativ und das Werkstück positiv gepolt sind, wobei beide Kurven bezüglich einer Änderung in der Streukapazität im wesentlichen konstant sind.

Aus der Fig. 2 ist zu ersehen, daß die Abtragungsgeschwindigkeit A bei einer Polarität, in der die Elektrode positiv gepolt und das Werkstück negativ gepolt ist, die Abtragungsgeschwindigkeit B bei der entgegengesetzten Polarität überschreitet, in der die Streukapazität leicht unter 0,1 µF kommt. Die relative Elektrodenabnutzung C in dieser einen Polarität wird durch die relative Elektrodenabnutzung D in der entgegengesetzten Polarität überschritten, in der die Streukapazität kleiner als ca. 0,05 µF wird. Da die Kurven C und D grundsätzlich bezüglich der Streukapazität konstant sind, ist zu ersehen, daß es vorteilhaft ist, die Streukapazität auf einen Wert nicht größer als ca. 0,01 µF für beide Polaritäten zu begrenzen. Insbesondere werden in Bearbeitungen der einen Polarität dann eine Abtragungsgeschwindigkeit und eine relative Elektrodenabnutzung in den größten bzw. kleinsten Bereichen erhalten. Wenn beispielsweise die Streukapazität von 0,1 µF auf 0,01 µF verringert wird, steigt die Abtragungsgeschwindigkeit (Kurve A) etwa um einen Faktor 4 an, und die relative Elektrodenabnutzung (Kurve C) wird auf etwa 1/10 verringert. Die Zunahme in der Bearbeitungsleistungsfähigkeit ist insbesondere bei Drahtschnitt- und bei anderen EDM- Bearbeitungen bemerkenswert, die Wasser (destilliert oder schwach leitend) für das Arbeitsfluid verwenden. Untersuchungen an verschiedenen anderen Elektroden- und Werkstückmaterialien haben grundsätzlich die gleiche Tendenz gezeigt.

Es wurde beobachtet, daß mit Steigerung des auf der Streukapazität C beruhenden addierten Stromes I _p1 die Tendenz zu Spaltkurzschluß und -lichtbogenbildung anwächst. Dies verringert die Bearbeitungsstabilität und damit die Abtragungsgeschwindigkeit und steigert weiterhin die Elektrodenabnutzung. Es scheint, daß aufgrund des gesteigerten Spitzenwertstromes I _p1 eine größere Materialmenge geschmolzen und von der Elektrode entfernt wird, was - gekoppelt mit der verringerten Abtragungsgeschwindigkeit - vermutlich die gesteigerte relative Elektrodenabnutzung bei einer größeren Streukapazität verursacht, die in herkömmlichen EDM-Maschinen vorhanden ist.

Hiervon ausgehend sieht die Erfindung eine Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten vor, wobei der gesamte (effektive) Wert der Streukapazitäten in der Spaltentladungsschaltung, die mit dem Arbeitsspalt einen Leistungsschalter zum Pulsen des Ausgangsstromes einer Strom- bzw. Spannungsquelle verbindet, auf einen Wert nicht größer als 10 µF und vorzugsweise höchstens 5 oder 1 nF begrenzt ist.

Fig. 3 zeigt eine EDM-Spaltentladungsschaltung zur Erläuterung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung. Eine Werkzeugelektrode 1 und eine Werkstückelektrode 2 sind nebeneinander vorgesehen, um dazwischen einen Arbeitsspalt G zu bilden. Der Spalt G ist mit einer dielektrischen Flüssigkeit, vorzugsweise destilliertem oder schwach leitendem Wasser, gespült, die als das EDM- Arbeitsmedium dient und auch Späne, Teer und Gase abführt, die im Arbeitsspalt G erzeugt sind, sowie den zuletzt genannten Bereich im wesentlichen während des Ablaufes eines EDM-Bearbeitens reinigt. Eine Folge von Arbeitsimpulsen einer vorgewählten Impuls-(Strom-) Dauer τ _ein und eines Spitzenwertstromes I _p wird durch einen EDM-Impulsgenerator 3 erzeugt, der aufweist eine symbolisch gezeigte Einheit von Leistungstransistoren und eine oder mehrere gedruckte Schaltungsplatten, Drahtleitungen und andere nicht gezeigte Schaltungsbauteile. Der Generator 3 hat einen ersten Ausgangsanschluß, der elektrisch mit der Werkzeugelektrode 1 über ein Kabel 4 a und einen Elektrodenanschluß 5 a verbunden ist, der auf der Oberfläche einer elektrisch leitenden Werkzeughaltespindel 5 liegen kann, wie dies dargestellt ist. Der andere Ausgangsanschluß des Generators 3 ist elektrisch mit dem Werkstück 2 über ein Kabel 4 b und einen Werkstückanschluß 6 a verbunden, der auf einem elektrisch leitenden Arbeitstisch 6 angebracht ist, auf dem das Werkstück 2 fest vorgesehen ist. Die Werkzeughaltespindel 5 ist mechanisch gekoppelt und über einen elektrischen Isolator 7 verbunden mit einem Stößel 9 der Maschine, der geerdet ist, während der Arbeitstisch 6 mechanisch gekoppelt und über einen elektrischen Isolator 8 mit einem geerdeten Gestell 10 der Maschine verbunden ist. Der EDM- Generator 3 ist auch geerdet.

Die obige Anordnung kann so aufgebaut sein, daß der effektive Wert der Streukapazität zwischen der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 2 nicht größer als 10 nF ist und vorzugsweise höchstens 5 oder 1 nF beträgt.

In der herkömmlichen EDM-Maschine betragen die Streukapazitäten, die auf der Isolation des Elektrodenlagers 5 und des Arbeitstisches 6 gegenüber Erde beruhen, beide höchstens 2000 pF (2 nF); jedoch sind die im Generator 3 und den Kabeln 4 a und 4 b vorhandenen Streukapazitäten beträchtlich groß. Es sei beispielsweise von einer gedruckten Schaltungsplatte mit einer Dicke (Standarddicke) von 0,6 mm, einer spezifischen Dielektrizitätskonstanten ε _r mit dem Wert 8 und einem nebeneinanderliegenden Bereich zwischen deren Hauptleitung und Erde von 10 cm² ausgegangen; dann beträgt die Streukapazität C₁ ca. 45 pF, und wenn dreißig (30) ähnliche gedruckte Schaltungsplatten verwendet werden, so weist deren gesamte Streukapazität C₁ etwa 1500 pF auf. Die zwischen einem geschirmt verdrahteten Leistungstransistor 3 und den Ausgangskabeln 4 a, 4 b erzeugte Streukapazität C₂ beträgt 200 pF; wenn dreißig (30) Leistungstransistoren insgesamt verwendet werden, beträgt sie insgesamt 6000 pF. Die gleiche Anzahl von Leistungstransistoren, die zwangsläufig eine Kapazität von 50 pF je Einheit besitzen, führt zu einer gesamten Streukapazität C₃ von 1500 pF. Weiterhin liefern die Kabel 4 a und 4 b, die eine Streukapazität von 500 pF aufweisen, eine gesamte Streukapazität C₄ von 1000 pF, während andere Leiter und Drähte im Generator 3 eine Streukapazität C₅ von 2000 pF an ihren Abständen erzeugen. Somit ist im Impulsgenerator 3 mit dem Ausgangskabel 4 a und 4 b eine Gesamtkapazität von C₁+C₂+C₃+C₄ +C₅=12 nF zwangsläufig vorhanden. Dieser Betrag wird weiter durch ca. 20 nF gesteigert, wenn die Kabel 4 a und 4 b vorzugsweise geschirmt verdrahtet sind, um die Leistungstransistoren 3 mit dem Elektrodenlager 5 und dem Arbeitstisch 6 zu verbinden. Mit den mechanischen Teilen 7, 9; 8, 10 einschließlich, die direkt der erregten Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 2 zugeordnet sind, ist zu ersehen, daß eine Streukapazität von über 20 nF insgesamt zwangsläufig in der Spaltentladungsschaltung bei der herkömmlichen EDM-Maschine vorliegt.

Die in der Kurve der Fig. 2 niedergelegte Erkenntnis zeigt nun, warum die herkömmlichen EDM-Spalt-Schaltungsanordnung mangelhaft ist, was auf die große, zwangsläufig vorhandene Streukapazität zurückzuführen ist (vgl. oben). Erfindungsgemäß wird eine stark gesteigerte Bearbeitungsleistungsfähigkeit erreicht, indem die Streukapazität insgesamt in der gesamten Spaltentladungsschaltung auf nicht mehr als 10, 5 oder 1 nF begrenzt wird. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die Dicke einer gedruckten Schaltungsplatte und der Abstand zwischen Leitern darauf im Impulsgenerator 3 gesteigert wird, indem der Abstand zwischen deren jeweils mit den Elektrodenanschlüssen 5 a und 6 a verbundenen Ausgangskabeln 4 a und 4 b erhöht wird, und indem die Dicke von einem oder von beiden Isolatoren 7 und 8 vergrößert wird, die die Leiter 5 und 6 von Erde trennen, so daß das Erfordernis einer Gesamtkapazität von höchstens 10 nF, vorzugsweise 5 nF und noch vorzugsweiser 1 nF in der gesamten Spaltentladungsschaltung erfüllt werden kann. Wenn beispielsweise die Spaltentladungsschaltung eine so auf 200 pF (0,2 nF) verringerte Streukapazität aufweist, um ein End- oder Oberflächenbearbeiten für eine Oberflächenrauhigkeit von 3 µ R _max auszuführen, so hat sich gezeigt, daß die relative Elektrodenabnutzung kleiner als 3% ist. Im Vergleich hierzu beträgt die entsprechende relative Elektrodenabnutzung mit einer herkömmlichen Spaltentladungsschaltung, die zwangsläufig eine gesamte Streukapazität von 20 nF aufweist, 200% bis 300%. Daraus ist zu ersehen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung das Endbearbeiten mit einem extrem verringerten Anteil der Werkzeugelektrodenabnutzung ermöglicht und somit einen feinen und genauen Betrieb ohne Abnutzung erlaubt.

In Fig. 4 ist eine Arbeitstischlager- und Erdungsanordnung gezeigt, die als Teil der allgemeinen Anordnung der Fig. 3 nach der Erfindung verwendbar ist, wobei die Streukapazität in diesem Teil auf höchstens 100 pF verringert ist. In der gezeigten Anordnung wird ein elektrisch leitender (Metall-)Arbeitstisch 11 durch ein Kabel 4 b von einem EDM-Impulsgenerator 3 gespeist, um seinerseits ein elektrisch leitendes Werkstück (nicht gezeigt) zu speisen, das fest darauf durch eine mechanische, Vakuum-, magnetische oder ähnliche (nicht gezeigte) Befestigungseinrichtung angebracht ist. Der Arbeitstisch 11 ist auf mehreren parallelen Pfosten 13 eines elektrisch leitenden Materials (Metall) gelagert, von denen jeder in eine entsprechende hohle Hülse 12 eines isolierenden Materials, wie beispielsweise Glas, Harz oder Stein, schraubbar ist bzw. in diesen beweglich oder fest aufgenommen wird, wobei diese Hülse 12 ihrerseits fest in einem entsprechenden Block 14 eines elektrisch leitenden Materials (Metall) enthalten ist. Die Blöcke 14 sind ihrerseits auf einer elektrisch leitenden (Metall-)Platte 15 in Berührung hiermit gelagert. Die Platte 15 ist ihrerseits gerade wie der Tisch 11 durch weitere parallele Pfosten 17 eines elektrisch leitenden Materials (Metall) gelagert, deren jeder in eine entsprechende hohle Hülse 16 eines isolierenden Materials, wie beispielsweise Glas, Harz oder Stein, verschraubbar ist bzw. darin beweglich oder fest aufgenommen wird, wobei diese Hülse ihrerseits fest in einem entsprechenden Block 18 eines elektrisch leitenden Materials (Metall) enthalten ist. Die Blöcke 18 sind ihrerseits auf einer metallischen Grundplatte 19 gelagert, die in der dargestellten Weise geerdet ist.

Die Hülsen 12 und 16 liefern relativ schmale Isolationsbereiche und können so die Streukapazitäten in der Vorrichtung auf einen Mindestwert verringern. Weiterhin kann der Abstand zwischen dem Werkstück-Speisetisch 11 und Erde beträchtlich gesteigert werden. Die Anordnung der gestuften Isolatoren 12, 16 ist daher insbesondere vorteilhaft, um die Kapazität in dieser Lage auf einen Mindestwert zu verringern, ohne praktisch die mechanische Stärke der Werkstücklagerung herabzusetzen. Die in Reihe liegende zweistufige Anordnung (vgl. Fig. 4) einer Isolationseinheit 12, 16 halbiert die Gesamtkapazität. Mehr als zwei Stufen einer Isolation können verwendet werden, um weiter die Gesamtkapazität herabzusetzen. Jedes starre Isoliermaterial ist verwendbar, um die Hülsen 12 und 16 aufzubauen; Stein oder Keramik sind besonders vorteilhaft.

Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das dazu dient, die Kapazität an den Teilen in der Spaltentladungsschaltung zu begrenzen, an denen die Werkzeugelektrode 1 und das Werkstück 2 elektrisch durch den Impulsgenerator leitend und von Erde getrennt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein elektrisch leitender Hauptarbeitstisch 20 durch mehrere Isolatoren 21 gelagert, die diesem von der geerdeten Maschinenunterlage 19 elektrisch isolieren. Weitere Isolatoren 23 bleiben auf dem Hauptarbeitstisch 20 und lagern einen elektrisch leitenden Hilfsarbeitstisch 22, um dazwischen eine elektrische Isolation zu erzeugen. Das Werkstück 2 ist auf dem Hilfsarbeitstisch 22 durch mehrere elektrisch leitende Klemmen befestigt, von denen eine in der dargestellten Weise mit einem Kabel 4 b vom Impulsgenerator 3 der Fig. 2 verbunden ist. Die Isolatoren 23 sind am Hauptarbeitstisch 20 mittels einer Klemmeinheit 24 festgelegt.

Die zweistufige Isolation halbiert hier wieder die Gesamtkapazität in der Arbeitstisch-Lagerung und Erdung. Der Hilfsarbeitstisch 22 ist lösbar über dem Hauptarbeitstisch 20 angebracht. Durch diese Anordnung kann die Hilfseinheit 22, 23 wahlweise auf der Haupteinheit 20, 21 befestigt werden, wenn eine End- oder Oberflächen-EDM-Bearbeitung am Werkstück 2 vorgenommen werden soll, um die Gesamtkapazität der Vorrichtung auf einen Mindestwert zu verringern. Wenn ein rohes EDM-Bearbeiten durchgeführt werden soll, ist der Einfluß der Streukapazität in der Spaltentladungsschaltung auf Bearbeitungsentladungsimpulse klein; dann kann das Werkstück direkt auf der Hauptleitungs- und Isoliereinheit 20, 21 angebracht werden, wobei die Klemmeinheit 24 mit dem Kabel 4 b vom Impulsgenerator 3 verbunden ist.

Direkt oberhalb des Werkstücks 2 ist eine Werkzeugelektrode 1 gezeigt, die neben einem elektrisch leitenden Hilfselektrodenhalter 29 liegt und durch diesen getragen ist, wobei der Halter 29 an ein Kabel 4 a vom Impulsgenerator 3 angeschlossen ist. Der Hilfselektrodenhalter 29 ist mit einem elektrisch leitenden Hauptelektrodenhalter 27 über eine Isolierplatte 30 gekoppelt, die dazwischen eine elektrische Isolation erzeugt. Der Hauptelektrodenhalter 27 ist mit einem elektrisch leitenden Stößel 26 durch eine Isolierplatte 31 gekoppelt, die dazwischen eine elektrische Isolation erzeugt, wobei der Stößel 26 geerdet ist. Auch hier halbiert die zweistufige Isolation die Gesamtkapazität in der Elektrodenlagerung und Erdung. Der Hilfshalter 29 ist lösbar unterhalb des Haupthalters 27 befestigt. Durch diese Anordnung kann die Hilfseinheit 29, 30 wahlweise an der Haupteinheit 27, 31 befestigt werden, wenn ein End- oder Oberflächen-EDM-Bearbeiten durchgeführt werden soll, um die Werkzeugelektrode 1 so zu führen, daß die Gesamtkapazität in der Vorrichtung auf einen Mindeswert verringert ist. Wenn eine rohe EDM- Bearbeitung ausgeführt wird, kann die Werkzeugelektrode 1 direkt durch die Hauptleitungs- und Isoliereinheit 27, 31 getragen werden, wobei der Haupthalter 27 an das Speisungskabel 4 a vom Impulsgenerator 3 angeschlossen ist.

In der Anordnung der Fig. 5 können mehr als zwei Isolationsstufen auf jeder Werkzeugelektroden- und Werkstückseite vorgesehen werden, um weiter die Gesamtkapazität zu verringern. Der Isolator 21, 23, 30, 31 kann aus jedem starren Isolierstoff bestehen und weist vorzugsweise Keramik oder Stein auf.

Erfindungsgemäß wird die gesamte Streukapazität im Impulsgenerator einschließlich der Ausgangskabel und die Streukapazität auf der Elektroden- und Werkstück-Erdungsseite auf 100 pF bzw. 10 pF verringert. Wenn mit dieser Spaltentladungsschaltung ein Bearbeiten durchgeführt wird, um zu einer Oberflächenrauhigkeit von 3 R _max zu führen, so betragen die Abtragungsgeschwindigkeit 0,012 g/min und die relative Elektrodenabnutzung 3%. Mit einer herkömmlichen Spaltentladungsschaltung betragen sie für den gleichen Ober­ flächen-Rauhigkeitszustand 0,003 g/min bzw. 130%.

Die Tatsache, daß ein extrem feines Oberflächen- oder End-EDM-Bearbeiten, das eine Oberflächengüte von 1 bis 3 R _max erlaubt, unter einem abnutzungsfreien Zustand mit einer geringen relativen Abnutzung von 3% erfolgreich erhalten wird, ist tatsächlich hinsichtlich des bestehenden Vorurteiles bemerkenswert, daß dies praktisch unmöglich sei. Daher zeichnet sich die Erfindung durch einen äußerst hohen praktischen Nutzen aus.

Fig. 6 zeigt ein Ersatzschaltungsbild mit verteilter Impedanz der EDM-Spalt-Entladungsschaltung einschließlich der Werkzeugelektrode 1 und des Werkstückes 2 nebeneinander am Arbeitsspalt G und des EDM-Impulsgenerators 3 vom Halbleiter- und insbesondere Transistorschalt-Typ, der auch als unabhängige Strom- bzw. Spannungsversorgung in der EDM-Technik bezeichnet wird. Wie bereits oben erwähnt wurde, kann ein derartiger Impulsgenerator eine Gleichstromquelle und einen Halbleiterschalter aufweisen, beispielsweise eine Reihe von parallel verbundenen Transistoren, deren Hauptelektroden (d. h. Emitter und Kollektoren) vorzugsweise in Reihe mit der Gleichstromquelle und dem Bearbeitungsspalt G verbunden sind, während deren Steuerelektroden (d. h. Basisanschlüsse und Emitter) durch einen Signalimpulsgenerator, z. B. einen Multivibrator, erregbar sind, der eine Folge von Schalt- oder Signalimpulsen erzeugt, so daß der Schalter abwechselnd ein- und ausgeschaltet wird und der Ausgang der (Gleichstrom-)Quelle intermittierend "gepulst" ist, um eine Folge von Arbeitsimpulsen am EDM-Spalt G zu erzeugen. Als Ergebnis wird eine elektrische Entladung mit vorgewählten Parametern, d. h. einem Spitzenwertstrom und einer Zeitdauer, die grundsätzlich an einstellbaren Einstellungen im Impulsgenerator 3 voreingestellt sind, intermittierend und wiederholt durch den EDM-Spalt G hervorgerufen. Die Bezeichnung "Spaltentladungsschaltung" wird hier verwendet, um einen Generator und eine Spaltschaltung einschließlich aller Schaltungsbauteile anzugeben, die zwangsläufig Streukapazitäten enthalten, die die Eigenschaften einer funkenerosiven Bearbeitung beeinträchtigen, abgesehen vom Voreinstellen der Parameter an diesen einstellbaren Quellenteilen. Derartige Streukapazitäten sind an verteilten Kapazitäten C₁, C₂ und C₃ im Ersatzschaltbild der Spaltentladungsschaltung zusammen mit verteilten Streuinduktivitäten L₁, L₂ und L₃ dargestellt, wobei jedes Paar einer Kapazität und einer Induktivität, nämlich C₁ und L₁, C₂ und L₂ sowie C₃ und L₃ einen Dämpfungsoszillator bildet. Wenn eine gesamte Streukapazität von 15 nF in der gesamten Spaltentladungsschaltung vorhanden ist, so ist es zweckmäßig, daß C₁=3 nF, C₂=5 nF, C₃=7 nF, L₁=0,1 µH, L₂=L₃=1 µH angenommen werden. Es ist dann zu ersehen, daß die drei LC-Netzwerke mit Frequenzen von 50 MHz, 14 MHz bzw. 11 MHz mit den drei einzelnen Stromverläufen A₁, A₂ bzw. A₃ schwingen, die summiert oder addiert werden, um ein zusammengesetztes Signal A am Bearbeitungsspalt G zu erzeugen, wie dieses schematisch in Fig. 7 gezeigt ist. Das zusammengesetzte Signal A hat den Spitzenwertstrom I _p0, der bis zu 9 A beträgt und dessen Zeitdauer τ _ein1 0,5 bis 1 µs aufweist, wenn die (Gleichstrom-) Quelle des Impulsgenerators 3 eine Ausgangsspannung von 90 V besitzt. Das zusammengesetzte Signal A wird zum Rechecksignal B addiert, das am Spalt G auftritt, wenn für die Streukapazität in der gesamten Spaltentladungsschaltung der Wert Null angenommen wird, um ein tatsächliches Signal zu erzeugen, wie dieses durch jeden der verzerrten Impulse D in Fig. 9 dargestellt ist, worauf bereits oben im Zusammenhang mit der Fig. 1 eingegangen wurde.

Oben wurde darauf hingewiesen, daß EDM-End-Parameter, wie die Gleichungen (3) und (4) für die Oberflächenrauhigkeit R und die Abtragungsgeschwindigkeit W und auch in der Fig. 2 gezeigte Versuchsergebnisse darlegen, wesentlich durch das Vorliegen von einer Änderung im effektiven Spitzenwertstrom I _peff sowie in der effektiven Impulsdauer τ _ein beeinflußt werden. Wenn so eine Verschiebung in den Werten dieser Eingangsparameter aufgrund des Vorliegens von Streuinduktivitäten in der Spaltentladungsschaltung vorhanden ist, kann ein gewünschtes Bearbeitungsergebnis nicht erzielt werden. Der Erfinder hat nun weiterhin erkannt, daß eine derartige Verschiebung sogar mit einem gegebenen Schaltungsaufbau und so während eines gegebenen Ablaufes einer Bearbeitung aufgrund einer Änderung in der Elektrodengröße, dem nebeneinanderliegenden Elektrodenbereich, dem Elektrodenmaterial, der Temperatur des Dielektrikums, dem Grad der Verschmutzung des Dielektrikums, der wirksamen Anzahl der Schalttransistoren in der Entladungsschaltung usw. auftreten kann.

In Fig. 10 ist eine EDM-Strom- bzw. Spannungsversorgung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, mit dem eine Änderung in der Streukapazität in der Spaltentladungsschaltung während eines gegebenen Ablaufes einer Bearbeitung wirksam kompensiert wird. Die Strom- bzw. Spannungsversorgung hat eine Gleichstromquelle 35 und eine Transistorschalteinheit 36, die zusammen den mit der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 2 verbundenen Impulsgenerator bilden. Die Gleichstromquelle 35 kann hier ihre Ausgangsspannung abhängig von einem Steuersignal ändern, wie dies weiter unten näher erläutert wird. Die Spaltentladungsschaltung umfaßt einen Fühlerwiderstand 37 zum Überwachen des durch den Arbeitsspalt G zwischen der Werkzeugelektrode 1 und dem Werkstück 2 fließenden Entladungsstromes. Ein weiterer Fühlerwiderstand 38 liegt am Arbeitsspalt G, um auf die Spaltspannung anzusprechen, und ist zu einem Diskriminator 39 geführt, der ein "1"-Ausgangssignal liefert, wenn jede Spaltentladung eingeleitet wird, wenn der Leistungsträger 36 durch einen von einem Signalquellen-Zeitgeber 36 a gelieferten Signalimpuls eingeschaltet ist. Der zuletzt genannte Signalimpuls oder ein "1"-Signal und das "1"-Ausgangssignal des Diskriminators 39 geben - wenn sie beide vorliegen - ein UND-Gatter 40 frei, um einen Zeitgeber 41 zu betätigen. Der Zeitgeber 41 liefert dann einen kurzen Überwachungsimpuls, der lediglich an einem Anfangsteil der Spaltentladung auftritt, um dadurch ein Gatter 42 freizugeben, so daß es auf den durch den Widerstand 37 erfaßten Spaltraum lediglich während dieser Periode oder Zeitdauer anspricht. Ein Mehrpegel-Diskriminator 43 (der mehrere Schmitt-Trigger umfassen kann) mit mehreren darin voreingestellten Schwellenwerten spricht auf den erfaßten Spaltstrom an und erzeugt - wenn dieser den einen oder anderen Schwellenwertpegel überschreitet - ein entsprechendes Signal, das entlang seines gegebenen Kanales 44 an einem der Gleichstromquelle 35 zugeordneten Betätigungsglied 45 liegt.

Der oben beschriebene zusätzliche Spitzenwertstrom I _p0 tritt in einer Anfangsperiode τ _ein1 jeder Spaltentladung D (vgl. Fig. 9) als Ergebnis der Tatsache auf, daß die elektrostatische Energie, die während des Impulsintervalls τ _aus in einer Streukapazität (Kondensator) in der Spaltschaltung gespeichert wurde, durch den Arbeitsspalt G entladen wird, wenn der Leistungsschalter 36 eingeschaltet ist. Somit hängt der erhöhte effektive Spitzenwertstrom I _peff oder I _p1=I _p0+ I _p , der so in der anfänglichen Impulsperiode τ _ein1 entwickelt wird, vom tatsächlichen Wert der Streukapazität ab und verändert sich mit diesem. Der Mehrpegel-Diskriminator 43 kann auf die unterteilten Bereiche der Größe des anfänglichen Spitzenwertstromes I _peff oder I _p1 ansprechen und die Signale jeweils entsprechend den überwachten Bereichen erzeugen. Das Betätigungsglied 45 spricht auf diese Signale an und wirkt auf die Spannungsquelle 35 so ein, daß - wenn ein größerer anfänglicher Spitzenwertstrom I _p0 erfaßt wird - deren Ausgangsspannung auf einen gegebenen Wert verringert werden kann, und daß - wenn ein kleinerer anfänglicher Spitzenwertstrom I _p0 erfaßt wird - deren Ausgangsspannung auf einen größeren Wert erhöht werden kann. Somit sollte die Ausgangsspannung der Gleichstromquelle 35 derart gesteuert werden, daß der effektive Spitzenwertstrom I _peff in der Anfangsperiode τ _ein1 über aufeinanderfolgenden Impulsen trotz während des Prozesses ablaufenden Veränderungen im Wert der Streukapazitäten in der Spaltentladungsschaltung im wesentlichen konstant gehalten ist.

Die Erfindung ermöglicht so eine Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten eines Werkstückes mit einer Werkzeugelektrode, wobei eine erhöhte Bearbeitungsleistungsfähigkeit insbesondere in der Abtragungsgeschwindigkeit, der Oberflächenrauhigkeit, der relativen Elektrodenabnutzung und der Bearbeitungsgenauigkeit erzielt wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum funkenerosiven Bearbeiten eines Werkstücks,
mit einer Spaltentladungsschaltung, die einen Impulsgenerator enthält und Paare elektrischer Leiter aufweist, über die die vom Impulsgenerator erzeugten Arbeitsstromimpulse an den zwischen Elektrode und Werkstück gebildeten und mit einem Dielektrikum gefüllten Arbeitsspalt angelegt werden, wobei unvermeidliche Streukapazitäten in der Spaltentladungsschaltung dadurch auftreten, daß die Leiter eines jeden Paares gegeneinander und gegen Erde isoliert sind, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand zwischen wenigstens einem der Leiterpaare oder zwischen einem der Leiter und Erde so groß gewählt ist, daß der gesamte Streukapazitätswert der Spaltentladungsschaltung auf höchstens 10 nF verringert ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwert der Streukapazitäten in der Spaltentladungsschaltung höchstens 5 nF beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwert der Streukapazitäten in der Spaltentladungsschaltung höchstens 1 nF beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum destilliertes oder schwach leitendes Wasser ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstück (2) auf einem elektrisch leitenden Arbeitstisch (11, 22) befestigt ist,
daß der Arbeitstisch (11, 22) über erste Isolatoren (12, 23) mit einer elektrisch leitenden Metallplatte (15, 20) verbunden ist, und
daß die Metallplatte (15, 20) über zweite Isolatoren (16, 21) mit der geerdeten, metallischen Grundplatte (19) der Vorrichtung verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Metallplatte (15, 20) als Hauptarbeitstisch (20) ausgebildet ist, auf dem lösbar unter Zwischenschaltung der ersten Isolatoren (23) ein Hilfsarbeitstisch (22) befestigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Werkzeugelektrode (1) an einem elektrisch leitenden Hilfselektrodenhalter (29) befestigt ist, daß der Hilfselektrodenhalter (29) über eine erste Isolierplatte (30) mit einem elektrisch leitenden Hauptelektrodenhalter (27) lösbar verbunden ist, und daß der Hauptelektrodenhalter (27) über eine zweite Isolierplatte (31) mit der geerdeten, elektrisch leitenden Pinole (26) der Vorrichtung verbunden ist.